キーワード: 車載電源, 電源設計, 車載インフォテイメント
 

アプリケーションノート4213

車載インフォテイメント向け高性能電源設計の動向

Apr 20, 2009

要約：このアプリケーションノートでは、車載インフォテイメントエレクトロニクス向け電源アーキテクチャの選択と最適化のための実用的な枠組みを提示します。最初に、設計上の制約とアプリケーションの要件についてまとめます。次に、最も一般的な電源アーキテクチャについて、アプリケーションの要件という文脈の中で検討します。最後に、このアプリケーションノートで取り上げた電源アーキテクチャの構成要素として、マキシムの一連の車載電源管理IC (PMIC)を紹介します。

はじめに

EU、日本、および米国の2012年モデル新型車の半数以上に、カラースクリーン、ナビゲーションシステム、衛星ラジオ、その他の車載インフォテイメントが装備されます。その結果、2012年における車載電源は10年前の製品とは大幅に異なるものになります。

信頼性の向上、低コスト化、設計サイクルの短縮という相反する期待の中で、電源の設計者たちは、標準的な車載電源には従来使用されていなかった技術の採用を強いられてきました。

車載電源の設計に関する6つの制約

ほとんどの車載電源のアーキテクチャは、6つの全般的制約によって形成されています。
  1. VINの範囲：12Vバッテリ電源ライン上の電圧過渡の範囲によって、コンバータICの入力電圧範囲が決まります。

    標準的なカーバッテリは、9V～16Vの範囲で動作します。正常なバッテリの公称電圧は、エンジン停止中が12V、エンジン作動中が約14.4Vです。しかし、過渡状態を含めると、この範囲は容易に±100Vまで拡大します。これらの過渡に関する完全な仕様については、業界標準規格のISO7637-1を参照してください。図1と図2はこのISO7637規格の一部であり、車載電源の高電圧コンバータに対応が要求される最も厳しい条件の概要を示しています。ISO7637-1の他にも、バッテリ駆動または環境に優しいガスエンジンに関する新しい過渡条件の定義が存在します。新しい仕様のほとんどは個々のOEMが推進しているものであり、必ずしも業界標準に従ったものではありません。しかし、過電圧および低電圧保護は、すべての新しいシステムで必須となっています。

    Figure 1. A cold crank profile.
    図1. コールドクランクのプロファイル

    Figure 2. A load dump profile.
    図2. ロードダンプのプロファイル

  2. 熱容量：放熱の容量によって、DC-DCの最小変換効率に関する要件が決まります。

    エアフローがほとんど、またはまったく存在しないアプリケーションは、ケース内に熱源(> 1W)が存在して周囲温度が高い(> 30℃)場合、短時間で高温(> 85℃)になる傾向があります。たとえば、ほとんどのオーディオアンプは放熱量が大きいため、十分なエアフローのあるヒートシンク上に設置する必要があります。また、PCBの素材および基板上の特定領域の銅の量も、コンバータの最大放熱容量に影響します。ヒートシンクなしの場合、パッケージのエクスポーズドパッド上での最大放熱量は、通常85℃で2W～3Wに制限されます。周囲温度が高くなるにつれて、放熱容量は大幅に減少します。

    カーバッテリから低電圧(たとえば3.3V)への標準的な変換では、リニアコンバータの低い変換効率が原因で、入力電力の75%が熱として失われます。その場合、1Wの出力電力を得るために3Wの電力が熱として失われることになります。周囲温度とケース/接合部の熱抵抗によっては、最大出力電力の上限が1Wよりも大幅に低下する場合もあります。ほとんどの高電圧DC-DC変換アプリケーションでは、通常はLDOによって最大150mA～200mAの出力電流までの範囲で良好なコストパフォーマンスの最適化が得られます。

    同じカーバッテリから低電圧(たとえば3.3V)への変換のシナリオと3Wの放熱容量の両方に対して、ハイエンドのスイッチングコンバータは一般に30W以上の出力電圧を供給可能です。そのためほとんどの車載電源設計では、可能な限りスイッチャによってLDOベースの旧式の回路を補強または除去しています。

    熱的条件が厳しいほとんどの高出力(> 20W)設計にとって望ましいのは、同期整流を使用することです。単一パッケージの放熱容量を超える場合や、｢高温｣パッケージの配置を管理する場合は、外付けのFETドライバも検討対象になります。

  3. 自己消費電流(IQ)とシャットダウン電流(ISD)の総量：

    自動車に搭載される電子制御ユニット(ECU)の数の急速な増加に伴って、カーバッテリから取り出される電流の総量も増大しています。これらのECUの一部はエンジン停止中も動作中のままであり、バッテリを消費しています。IQの消費を制御下に維持するため、ほとんどのOEMはECUごとの最大IQの制限を設け始めています。たとえばEUでは、この制限は通常100µA/ECUに設定されています。EUのほとんどの車載仕様において、ECUの標準的なIQの目標値は100µA以下となっています。CANトランシーバ、リアルタイムクロック、マイクロコントローラなどの常時動作のデバイスによって、ECU当りのIQ総量の大半が消費されるため、電源には最小限のIQ総量しか割り当てられません。

  4. コスト予算：OEM各社が決めるコストと仕様のトレードオフによって、電源のBOM (bill of materials)が影響を受けることになります。

    ほとんどの大量生産アプリケーションでは、すべての設計要件についてコストが第一の駆動要因になります。PCBの種類、ヒートシンクの利用の可否、パッケージの配置の適応性、その他多くの設計上の制約が、実際には特定のプロジェクトで使用可能な予算の最大額によって決まります。たとえば、単層のCM3の代わりに4層のFR4を使用することによって、PCB上の特定のスポットで生成することができる熱の量が大きく違ってきます。

    コストに関するもうひとつの制約は、プロジェクトの予算という形を取ります。顧客は通常、旧式の電源設計のオーバーホールに資金と時間を費やすよりも、ECU当りのコストの上昇を容認するものです。逆に言うと、新しいプラットフォームの開発にかかる高コストが原因で、最良ではない旧式の設計に手を加えて使うことが一般的になっています。

  5. 位置/配置：PCBと部品の配置によって、電源内での集積レベルが制限される場合があります。

    機械的設計、基板レイアウト、ノイズ感受性、複数基板の接続の問題、および配置に関するその他の制約によって、オールインワンのシングルチップ電源設計が実現不可能な場合があります。しかし、コストと部品数が増大するため、PoL (Point of Load)ですべての電源レイルを生成するのも望ましくない可能性があります。電源の設計者は、プロジェクトの性質に応じて、集積レベル、機械的制限、およびコストのバランスを取る必要があります。

  6. 電磁放射：

    電磁放射は、時間とともに変化する電界が原因で発生します。これらの電界の周波数と振幅によっては、1つの電子回路の動作が別の電子回路に干渉する場合があります。現実の副作用は、ラジオ番組への干渉からエアバッグの誤作動まで多岐にわたります。これらの副作用を防止するため、OEM各社はECUの電磁放射に関する最大レベルを設定しています。

    電磁放射(EMI)を制御下に維持するためには、DC-DCコンバータの種類、トポロジ、部品の選択、基板レイアウト、およびシールドのすべてが重要になります。長年にわたって、電源ICの設計者はEMIの制御を改善するための様々な技法を考案してきました。外部クロックへの同期、AM帯より高い動作周波数、内蔵FETの使用、ソフトスイッチングアルゴリズム、スペクトラム拡散テクノロジなどは、すべてこの努力の一環です。

アプリケーションによる電源の要件

最も基本的なシステム電源アーキテクチャは、自動車メーカーの規定するアプリケーションの電圧要件とバッテリの過渡条件を調査することから始まります。その後、電流の要件を基盤上の放熱制限に対応させます。表1に、最も頻繁に設計される電子回路と電圧の要件をまとめます。

表1. 一般的な電源回路と電圧の要件¹
Application Input Voltages Application State vs. VBATT
Location of Power Supply Application > 5.5V 5V 3.3V 2.5V 1.8V 1.2V 1V ON— Key Off? ON—ECORUN ON— Cold Crank? ON— Load Dump?
Remote Antenna               ON; EU only NO reset
Main CD-drive                 Survive
Main CDC (changer)                 Survive
Module Radio tuner             ON; EU only Survive
Main General µC           ON; EU only NO reset
Main HDD               NO Survive
Main CAN             ON NO reset
Main USB                 NO
Main RTC             ON NO
Both LVDS               ON; EU only NO
Both DSP               ON; EU only Survive
Both SRAM             ON; EU only Survive
Both Flash                 Survive
Both FPGA         Survive
Module Audio µC               Survive
Module CODEC                 Survive
Module LCD           ON; EU only Survive
Module GPS               ON; EU only Survive
Module TV tuner                 Survive
Module DAB                 Survive
Module SDARS               Survive
Module Data comm.               NO reset

最も一般的な電源トポロジ

Figure 3. Architectural options for a power supply. Reg1: 8V (CD/DVD drive); Reg2: 5V (µC); Reg3: 3.3V (µC); Reg4: 2.5V/1.8V (DSP); Reg5: 1.2V (memory).
図3. 電源のアーキテクチャの選択肢。Reg1：8V (CD/DVDドライブ)、Reg2：5V (µC)、Reg3：3.3V (µC)、Reg4：2.5V/1.8V (DSP)、Reg5：1.2V (メモリ)。

ディジタルにおけるCMOSと同様に、アナログBiCMOSプロセスも小型化を達成するために設計ジオメトリの最小化に努めています。この関係によって、最善の投資利益率が得られ、プロセス開発リスクが軽減されます。しかし、プロセス最適化のための選択が、一般的な車載アプリケーションのニーズに合致するとは限りません。たとえば、5.5V～6V入力のデバイスはほとんどのプロセスでコストについて最適化されているのに対して、9V～10V入力のデバイスは存在しないか、またはコストについて最適化されていません。そのため、より低い電圧レイルをカスケードするめの中間の電源レイルを生成する方法に制約が生じます。

このセクションで提示する4つのトポロジは、過去3年間にわたるマキシムの世界的なアプリケーション設計の経験をまとめたものです。同じ目的を達成するための方法は他にも数多く存在すると思われますが、ほとんどのソリューションはこの4つのトポロジのいずれかに還元することが可能です。

選択肢1

このトポロジでは、DC-DC変換効率、位置、PCB上の熱分布、およびノイズを最適化するための柔軟性が最も大きくなります。選択肢1の主な優位性は、以下の通りです。
  • コア設計にレイルを追加する際の柔軟性。この設計は様々なプロジェクト向けのオプショナルなレイルを提供します。最も低コスト/高効率のソリューションではありませんが、単一出力のコンバータの追加によって旧式の設計の再利用に役立つ場合があります。

  • スイッチャ/リニア電源の選択を最適化することが可能。たとえば、マイクロコントローラに給電するための3.3Vレイルがシステム内に存在する場合、カーバッテリではなくその3.3VからLDOを使用して1.8V 300mAのレイルを生成する方が合理的です。将来新しい要件によってレイルが変化した場合、最適とは言えなくなった古い構成要素に代えて、コスト面の大きなペナルティなしに新しい構成要素を容易に選択することができます。

  • PCB上に熱を分散させ、コンバータによる放熱の量と位置を選択することができる柔軟性を提供します。

  • 高性能でコスト効率に優れた低電圧アナログICの使用を可能にします。それらのICは、高電圧ICに比べて入手も容易です。
それと引き替えに、選択肢1は一般に実装面積が大きく、より高価であり、多数の電源レイルを使用する設計には複雑すぎます。

選択肢2

この選択肢は、集積度の向上と設計の柔軟性の間の妥協点として一般的なものです。一般的にこのアプローチは、コスト、実装面積、および複雑性の面で選択肢1よりも最適化されています。

この選択肢は、独立して制御する必要のある2つのステップダウンレイルを生成する場合に特に適しています。たとえば、常時オンの3.3Vレイルとオフになる可能性がある5Vレイルを同じICを使用して生成することによって、IQを節減することが可能です。別の例としては、中間的な電力レイル(たとえば5Vなど)を生成することによって、ブースト回路で8Vレイルを生成せずに低電圧のコンバータに給電するという場合が考えられます。

デュアル出力のレギュレータと外部FETドライバを使用する場合、PCB上の熱分布については選択肢1と同様の柔軟性が得られます。しかし、内蔵FETコンバータを使用する場合は、PCB上の特定の点に放熱が集中する可能性があり、レギュレータ出力に要求される電流のレベルによっては、制約が生じることになります。

選択肢3

このトポロジは、複数レイルの高電圧変換の問題を、1つの高電圧フロントエンドと高度に集積化された低電圧、高集積度ICに還元するものです。

このアプローチでは、電源の設計がシンプルになり、様々なベンダによる様々な代替アプリケーションが促進されます。また、低電圧の高集積度ICの方が、複数の高電圧ICより低コストです。

選択肢3の低電圧PMICが3個以上の出力を備えている場合、選択肢4の落とし穴がすべて選択肢3にも存在することになります。

選択肢3の主なデメリットは、多数の電源レイルが一カ所に集中することです。このレイアウトでは、設計によってPCB上の放熱を管理する必要があります。

選択肢4

オールインワンの高集積PMICによって、電源設計の様々な制約の間で大幅に優れたトレードオフが実現する可能性があります。しかし、高集積度には多数の落とし穴も存在します。
  • 高集積度PMICでは、スケーラビリティと集積レベルは常に背反関係になります。たとえば、アプリケーションが様々なプロジェクトに発展していく中で、内蔵FETコンバータでは負荷の増大に対応することができなくなる可能性があります。

  • より低電圧のコンバータをより高電圧のコンバータにカスケード接続することによって、コストが改善される場合があります。しかしこのアプローチでは、コンバータのオン/オフロジックの入替えが制限される可能性もあります。たとえば、3.3V入力のコンバータを5V出力のコンバータにカスケード接続する設計では、5Vレイルがオフになる可能性があるときに3.3Vレイルがオンである必要がある場合、IQが増大します。

  • EMIとPoL変換に対する配慮から、中央のPMICの使用が制限される可能性があります。基板レイアウトと長いトレースの使用によって、中央のPMICに含まれるレイルが制限される可能性があります。

マキシムの車載電源ソリューション

マキシムの車載電源ICファミリは、解決が困難な電源管理の問題に対する独自の高性能ソリューションを提供します。電源製品ファミリには、過電圧および低電圧プロテクタ、マイクロコントローラ監視回路、スイッチおよびリニアコンバータ、高集積度の多機能PMICなど、インフォテイメントエレクトロニクス設計の要件を満たす構成要素が含まれています。

マキシムはTS16949 (自動車品質規格)の認証を取得しており、製品の大部分を自社工場で製造しています。マキシムの車載向け事業は、車載市場の需要を満たすため、品質保証、顧客サービス、地域の販売およびアプリケーションサポート、およびIC設計について専任のリソースを従事させています。

マキシムの電源ICは、AECQ100認定、DFMEA、各種の温度グレード(85℃、105℃、125℃など)、特別なパッケージ(エクスポーズドリードまたはQFN、エクスポーズドパッド付きまたはエクスポーズドパッドなし)など、車載特有の品質や製造上のニーズにも対応しています。

Figure 4. Automotive power-management IC categories. For full selection of automotive power solutions please refer to japan.maxim-ic.com/Automotive.
図4. 車載電源管理ICの各種カテゴリ。車載電源ソリューションの完全な製品一覧については、japan.maxim-ic.com/Automotiveをご覧ください。

高電圧シングル出力PWMコントローラ

Figure 5. The MAX15004/MAX15005 automotive VFD power supplies operate down to a 2.5V input voltage after startup and include output overvoltage protection for VFDs.
図5. 車載VFD電源のMAX15004/MAX15005は、起動後は最低2.5Vまでの入力電圧で動作し、VFD用の出力過電圧保護を内蔵しています。

MAX15004/MAX15005は、ブースト、フライバック、フォワード、およびSEPICコンバータとしての構成が可能な、汎用の電流モードPWMコントローラです。これらのICは4.5V～40Vの入力電圧範囲で動作し、スイッチング周波数を15kHz～500kHzの範囲で調整可能です。これらのICは、外部クロックに同期させることもできます。

電流モード制御アーキテクチャによって、優れたライン過渡応答とサイクルごとの電流制限が提供され、周波数補償が容易になります。設定可能なスロープ補償によって、設計がさらに単純化されます。60nsの高速な電流制限応答時間と300mVの低い電流制限スレッショルドを持つこれらのコントローラは、高効率、高周波数のDC-DCコンバータに適しています。これらのデバイスには、誤差アンプと精度1%のリファレンスが内蔵されており、1次側レギュレート、シングルエンドのフライバックコンバータまたは非絶縁コンバータを容易に実現可能です。

保護機能として、サイクルごとおよびヒカップ電流制限、出力過電圧保護、およびサーマルシャットダウンが特長とされています。MAX15004/MAX15005は16ピンTSSOPパッケージで提供され、エクスポーズドパッド付きとエクスポーズドパッドなしのバージョンがあります。すべてのデバイスが-40℃～+125℃の自動車用温度範囲で動作します。

高電圧シングル出力、ステップダウンスイッチングコントローラ

Figure 6. The MAX1744/MAX1745 are high-voltage (36V) step-down DC-DC controllers.
図6. MAX1744/MAX1745は、高電圧(36V)ステップダウンDC-DCコントローラです。

MAX1744は、4.5V～36Vの過渡に対する耐性を備えた、シングル出力、車載グレードのスイッチングレギュレータです。このデバイスは、独自の電流制限された制御方式を使用して、優れた軽負荷時および完全負荷時の効率を実現しています。ヒートシンクを必要とせずに50Wを超える出力電力を提供します。MAX1745の消費電流は、シャットダウン時でわずか4µA、軽負荷時で90µAです。このICは+125℃での動作を完全に保証されており、エクスポーズドリードを備えエクスポーズドパッドなしの、3mm × 3mm、16ピンµMAX®パッケージで提供されます。MAX1745の出力電圧は、抵抗による調整が可能です。

高電圧シングル出力LDO

Figure 7. The MAX15006/MAX15007 are low 9µA quiescent-current linear regulators ideal for always-on automotive applications.
図7. MAX15006/MAX15007は、常時オンの車載アプリケーションに最適な、9µAという低自己消費電流のリニアレギュレータです。

MAX15006/MAX15007は、4V～40Vの入力電圧で動作する、超低自己消費電流のリニアレギュレータです。これらのICは最大50mAの出力電流を提供し、無負荷時のIQ消費はわずか10µAです。内部のpチャネルパスデバイスによって、完全負荷時にも低いIQが維持されます。シャットダウン時におけるMAX15007の消費電流はわずか3µAです。

MAX15006A/MAX15007Aは3.3Vの固定出力を備え、MAX15006B/MAX15007Bは5Vの固定出力電圧を備えています。MAX15007は、デバイスのオン/オフを行うイネーブル入力を備えています。すべてのデバイスが、短絡保護とサーマルシャットダウンを備えています。

MAX15006/MAX15007は、-40℃～+125℃の自動車用温度範囲で動作します。これらのデバイスは、放熱特性を高めた、省スペースな3mm × 3mmの6ピンTDFNおよび8ピンSOPパッケージで提供されます。

高電圧デュアル出力、ステップダウン/アップスイッチングコンバータ

Figure 8. The MAX5098/MAX5099 withstand 80V load-dump and operate to less than 6V cold crank.
図8. MAX5098/MAX5099は80Vのロードダンプに耐え、6V未満のコールドクランクまで動作します。

MAX5098/MAX5099は、ハイサイドFETを内蔵した、2.2MHz、180°逆位相のデュアル出力スイッチングレギュレータです。これらのICは4.5V～19Vの入力電圧範囲で動作し、最大80Vのロードダンプ過渡に対応可能なロードダンプ保護回路を内蔵しています。また、MAX5099は2つのローサイドMOSFETドライバも内蔵しており、各コンバータで外付けの同期整流MOSFETを駆動することが可能です。出力1および2は、それぞれ最大2Aと1Aの出力電流を提供します。MAX5098はステップアップまたはステップダウンコンバータとして構成可能です。MAX5099はステップダウンモードでのみ動作します。

MAX5098/MAX5099は、短絡保護(ヒカップ電流制限)と過熱保護も特長としています。これらのICは-40℃～+125℃の範囲で動作し、放熱特性を高めた、エクスポーズドパッド付き、5mm × 5mm、32ピンTQFNまたは28ピンTSSOPパッケージで提供されます。


この記事のドイツ語版が、｢Automobil Elektronik｣誌の2008年6月号に掲載されました。

¹ECORUNの条件では、自動車のエンジンが一時的に(たとえば信号待ちの間など)停止されることに注意してください。この条件は、業界ではスタートストップまたはウォームクランクとも呼ばれています。

µMAXはMaxim Integrated Products, Inc.の登録商標です。



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